(57)【要約】  流体中の浮遊粒子９の検出および／または特性評価のための測定装置である。流路に沿って流体の流れを生成するための手段１、１０と、第１の偏光方向に偏光されたレーザー光のパルスであって各パルスがパルス持続時間を備えたものを流路における測定領域に向けて照射するために配置されたレーザーと、第１の偏光方向とは異なった第２の偏光方向に偏光されたレーザーを測定領域に向かわせるための方向付け手段３と、測定領域において流体中の個々の浮遊粒子９から放射された蛍光を取り込んで、この取り込まれた蛍光についての少なくとも１つの所定の波長の強度を、パルス持続時間中に少なくとも３回のサンプリング率で測定する第１の光学分光装置とを備える。方向付け手段は、レーザー２から照射され第１の方向に偏光したパルスレーザー光が測定領域を横切るたびに、第２の偏光方向に偏光されたレーザー光のパルスを測定領域に向かわせ、かつレーザー２から照射されたパルスが測定領域を横切る瞬間から、方向付け手段３によって方向付けされたパルスが測定領域を横切る瞬間までの時間遅れが、パルス持続時間よりも長くかつ流体が測定領域を通過する時間よりも短い。本発明の測定装置を用いた、流体中の浮遊粒子９の検出および／または特性評価のための測定方法である。【選択図】図１
2019523887.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体中の浮遊粒子（９）の検出および／または特性評価のための測定装置であって、
流路に沿って流体の流れを生成するための手段（１、１０）と、
第１の偏光方向に偏光されたレーザー光のパルスであって各パルスがパルス持続時間を備えたものを前記流路における測定領域に向けて照射するために配置されたレーザーと、
前記第１の偏光方向とは異なった第２の偏光方向に偏光されたレーザーを前記測定領域に向かわせるための方向付け手段（３）と、
前記測定領域において流体中の個々の浮遊粒子（９）から放射された蛍光を取り込んで、前記取り込まれた蛍光についての少なくとも１つの所定の波長の強度を、前記パルス持続時間中に少なくとも３回のサンプリング率で測定する第１の光学分光装置とを備え、
前記方向付け手段は、前記レーザー（２）から照射され前記第１の方向に偏光したパルスレーザー光が前記測定領域を横切るたびに、前記第２の偏光方向に偏光されたレーザー光のパルスを前記測定領域に向かわせ、かつ前記レーザー（２）から照射されたパルスが前記測定領域を横切る瞬間から、前記方向付け手段（３）によって方向付けされた前記パルスが前記測定領域を横切る瞬間までの時間遅れが、前記パルス持続時間よりも長くかつ流体が前記測定領域を通過する時間よりも短いものであることを特徴とする流体中の浮遊粒子の測定装置。
【請求項２】
第２の偏光方向が第１の偏光方向に対して垂直であることを特徴とする請求項１記載の流体中の浮遊粒子の測定装置。
【請求項３】
流体の流れを生成するための手段が、層流の空気流を生成するためのノズル（１）であって、前記ノズル（１）越える流路を備えているものであることを特徴とする請求項１または２記載の流体中の浮遊粒子の測定装置。
【請求項４】
流体の流れを生成するための手段が、透光性を有するチューブ（１０）であって、前記チューブ（１０）に沿った流路によって液体の流れを生成するものであることを特徴とする請求項１または２記載の流体中の浮遊粒子の測定装置。
【請求項５】
方向付け手段は、受動的な光学システム（３）であって、レーザー（２）から照射され測定領域を横切った後のレーザー光を集光し、かつその集光したレーザー光を再び前記測定領域に向かわせるように構成され、かつ、測定領域へ向けられたレーザー光が前記測定領域に到達する前にレーザーパルスの光の偏光方向を第１の偏光方向から第２の偏光方向へ回転させるように構成されていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項記載の流体中の浮遊粒子の測定装置。
【請求項６】
方向付け手段（３）は、受動的な光学要素（３０、３１、３２）であって、
測定領域に関してレーザー（２）とは反対側に配置されて、前記レーザー（２）によって照射されたレーザー光を、このレーザー光が前記測定領域を通過した後に反射する第１の鏡（３１）と、
前記第１の鏡（３１）によって反射された光をさらに反射させて前記測定領域へ向かわせる第２の鏡（３２）と、
レーザーパルスの光路に配置されて前記パルスのレーザー光の偏光方向を９０°回転させる波長板（３０）であって、その配置された位置が、前記測定領域と第１の鏡（３１）との間か、前記第１の鏡（３１）と第２の鏡（３２）との間か、前記第２の鏡（３２）と測定領域との間かのいずれかである波長板（３０）とを有することを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項記載の流体中の浮遊粒子の測定装置。
【請求項７】
第１の光学分光装置（４）が、取り込んだ蛍光のうち、３つの異なる波長についての強度を測定するものであることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項記載の流体中の浮遊粒子の測定装置。
【請求項８】
第１の光学分光装置（４）が、集められた蛍光を５００ＭＳＰＳ（Ｍｅｇａ ｓａｍｐｌｅｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）以上のサンプリング周波数でサンプルするものであることを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項記載の流体中の浮遊粒子の測定装置。
【請求項９】
第１の光学分光装置（４）が、集められた蛍光を１ＧＳＰＳ（Ｇｉｇａ ｓａｍｐｌｅｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）以上のサンプリング周波数でサンプルするものであることを特徴とする請求項８記載の流体中の浮遊粒子の測定装置。
【請求項１０】
測定領域で流体中の個々の浮遊粒子（９）から放射された蛍光を取り込み、前記取り込んだ蛍光のスペクトルを広い周波数範囲にわたって決定する第２の光学分光装置（５）をさらに備えることを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項記載の流体中の浮遊粒子の測定装置。
【請求項１１】
すべての光を全反射によって大径側から小径側へ案内する要素をさらに備え、前記要素は、後部焦点距離が無限遠であり光学レンズ（６１）と共役関係である反射対物レンズ（６０）と、後部焦点距離が無限遠であり放物線反射鏡（６２）と共役関係である反射対物レンズ（６０）と、後部焦点距離が無限遠であり光学テーパ（６３）と共役関係である反射対物レンズ（６０）とを有する群における少なくとも一つの構造を備えていることを特徴とする請求項１から１０までのいずれか１項記載の流体中の浮遊粒子の測定装置。
【請求項１２】
流体中の浮遊粒子（９）の検出および／または特性評価のための測定方法であって、
流路に沿って流体の流れを生成させ、
第１の偏光方向に偏光されたレーザー光のパルスであってパルス持続時間を備えたものを前記流路における測定領域に向けて照射し、
前記測定領域における流体中の個々の浮遊粒子（９）に前記第１の偏光方向に偏光されかつ直線偏光器に通されたレーザー光のパルスが衝突したときに前記測定領域において流体中の個々の浮遊粒子（９）から放射された蛍光を取り込むとともに、取り込まれかつ直線偏光器に通された蛍光の強度を、少なくとも１つの所定の波長において、前記パルス持続時間中に少なくとも３回のサンプリング率で測定し、
前記第１の偏光方向とは異なった第２の偏光方向に偏光されたレーザー光のパルスを前記測定領域に向けて方向付けして、前記第１の偏光方向に偏光したレーザー光のパルスが前記測定領域を横切る瞬間から、前記第２の偏光方向に偏光したレーザー光のパルスが前記測定領域を横切る瞬間までの時間遅れが、前記パルス持続時間よりも長くかつ流体が前記測定領域を通過する時間よりも短くなるようにし、
前記測定領域における流体中の個々の浮遊粒子（９）に前記第２の偏光方向に偏光されかつ直線偏光器に通されたレーザー光のパルスが衝突したときに前記個々の浮遊粒子（９）から放射された蛍光を取り込むとともに、取り込まれかつ直線偏光器に通された蛍光の強度を、前記少なくとも１つの所定の波長において、前記パルス持続時間中に少なくとも３回のサンプリング率で測定することを特徴とする流体中の浮遊粒子の測定方法。
【請求項１３】
第２の偏光方向は、第１の偏光方向に対して垂直であることを特徴とする請求項１２記載の流体中の浮遊粒子の測定方法。
【請求項１４】
流体が空気であることを特徴とする請求項１１または１２記載の流体中の浮遊粒子の測定方法。
【請求項１５】
流体が液体であることを特徴とする請求項１１または１２記載の流体中の浮遊粒子の測定方法。
【請求項１６】
第２の偏光方向に偏光されたレーザー光のパルスを測定領域に向けて方向付けするときに、測定領域を通過しかつ第１の偏光方向に偏光された前記レーザー光のパルスを取り込んだうえで再び前記測定領域に向かわせるとともに、前記第１の偏光方向に偏光されたレーザー光のパルスの偏光を、このパルスが前記測定領域に再び到達する前に、前記第１の偏光方向から前記第２の偏光方向に向けて回転させることを特徴とする請求項１１から１４までのいずれか１項記載の流体中の浮遊粒子の測定方法。
【請求項１７】
第１の偏光方向とは異なった第２の偏光方向に偏光されたレーザー光のパルスを測定領域に向けて方向付けするときに、
−第１の偏光方向に偏光されたレーザー光のパルスを、測定領域を横切った後に、第１の鏡（３１）によって反射させ、
−前記第１の鏡（３１）によって反射されたレーザー光のパルスを、第２の鏡（３２）によって反射させるとともに前記測定領域に向かわせ、
−レーザー光のパルスの光路に配置された波長板（３０）によって、前記測定領域と第１の鏡（３１）との間か、前記第１の鏡（３１）と第２の鏡（３２）との間か、前記第２の鏡（３２）と測定領域との間かのいずれかにおいて、前記パルスのレーザー光の偏光方向を９０°回転させることを特徴とする請求項１１から１５までのいずれか１項記載の流体中の浮遊粒子の測定方法。
【請求項１８】
第１の光学分光装置（４）によって、取り込んだ蛍光のうちの３つの異なる波長についての強度を測定することを特徴とする請求項１１から１６までのいずれか１項記載の流体中の浮遊粒子の測定方法。
【請求項１９】
第１の光学分光装置（４）によって、集められた蛍光を５００ＭＳＰＳ（Ｍｅｇａ ｓａｍｐｌｅｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）以上のサンプリング周波数でサンプルすることを特徴とする請求項１１から１７までのいずれか１項記載の流体中の浮遊粒子の測定方法。
【請求項２０】
第１の光学分光装置（４）によって、集められた蛍光を１ＧＳＰＳ（Ｇｉｇａ ｓａｍｐｌｅｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）以上のサンプリング周波数でサンプルすることを特徴とする請求項１９記載の流体中の浮遊粒子の測定方法。
【請求項２１】
測定領域における流体中の個々の浮遊粒子（９）に第２の偏光方向に偏光されかつ直線偏光器に通されたレーザー光のパルスが衝突したときに前記個々の浮遊粒子（９）から放射された蛍光を取り込むとともに、取り込まれかつ直線偏光器に通された蛍光の強度を、少なくとも１つの所定の波長においてパルス持続時間中に少なくとも３回のサンプリング率で測定するときに、前記取り込んだ蛍光のスペクトルを広い周波数範囲にわたって決定することを特徴とする請求項１１から１８までのいずれか１項記載の流体中の浮遊粒子の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体中の浮遊粒子を検出および／または特性評価するための方法および装置に関する。本発明は、前記粒子にレーザー誘起蛍光法を用いる。本発明は、特に、流体中の浮遊粒子に時間分解レーザー誘起蛍光法を用いる方法および装置に関する。その時間分解レーザー誘起蛍光法を用いる方法および装置は、流体の連続的な流れの中の個々の粒子の、例えば蛍光寿命と、蛍光寿命の蛍光異方性と、場合によっては蛍光スペクトルとを決定する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、予防の手段および／または保護の手段の分野に関する。これらの手段は、流体中の浮遊粒子を検出および／または特性評価するために使われる。浮遊粒子とは、例えば、空気中の浮遊粒子や、水中の浮遊粒子などである。空気中の浮遊粒子とは、大気汚染、および／または大気の生物汚染、および／または大気の化学汚染、および／または大気中に浮遊するアレルギー物質などである。水中の浮遊粒子とは、水汚染、水の生物汚染および水の化学汚染などである。浮遊粒子は、これらに限定されない。大気中のさまざまな種類のエアロゾルの濃度が高まることで、例えば空気中に浮遊する胞子の数がますます増加することで、空気中に浮遊する花粉の数が、より重要な公衆衛生の問題となっている。さらに、バイオテロのような新しい脅威が現れている。この新しい脅威は、空気中に浮遊し病気の原因となる生物学的な有機体や化学的な有機体を大量破壊兵器として用いている。生物学的な有機体や化学的な有機体とは、炭疽菌やマスタードガスのようなものである。信頼ができて、オペレータが不要で、費用効果の高い浮遊粒子の検出器、例えば高速で程度の高い識別力を有したエアロゾル検出器は、それゆえ市場では非常に価値がある。特に、市場で必要とされている検出器とは、特有の流体環境に存在する粒子のリアルタイムでの検出を可能にするものである。特有の流体環境とは、例えば大気、水路、飲料水の分配システムなどである。
【０００３】
特許文献１と特許文献２は、例えば粒子の特性を評価するための装置と方法とを記載している。特にその装置と方法は、時間分解した蛍光を用いる。時間分解した蛍光とは、粒子にレーザー光が照射された結果として粒子から生じた蛍光を時間分解したものである。これらの装置と方法の欠点は、個々の粒子に関して得ることが可能な、その粒子の性質と特徴とについての情報が限られていることである。粒子の特性を評価するほとんどの場合、数十ナノ秒程度の時間がかかる蛍光減衰を有する粒子と、数ナノ秒以下程度の短い蛍光減衰を有する粒子との区別だけしか可能とならない。時間がかかる蛍光減衰を有する理由は、一般に炭化水素を含んだ非生物学的な粒子であるからである。蛍光減衰が短い粒子は、一般に生物学的とみなされている。蛍光減衰のみしか得られないと、その蛍光減衰から、生物学的に分類することと非生物学的に分類することに間違った応答を与えることになる相当な数の分子組成が見つかることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，２７０，５４８号明細書
【特許文献２】米国特許第５，３１５，１２２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって本発明の目的は、流体中の個々の浮遊粒子の検出および／または流体中の個々の浮遊粒子の特性の評価を、信頼性があり、かつ費用効果が高い手法により可能にする装置と方法とを提供することである。この装置と方法によれば、蛍光の応答について相当に詳細な測定を行うことができる。それ故にこの装置と方法によれば、個々の粒子の化学組成についてはるかに優れた化学的同定を行うことができ、その結果として計数誤差を低く抑えることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的と他の利点は、対応する独立請求項にしたがった装置と方法を用いて達成される。
【０００７】
この目的と他の利点は、特に流体中の浮遊粒子の検出および／または流体中の浮遊粒子の特性の評価のための測定装置により達成される。この測定装置は、流路に沿って流体の流れを生成するための手段と、第１の偏光方向に偏光されたレーザー光のパルスであって各パルスがパルス持続時間を備えたものを前記流路における測定領域に向けて照射するために配置されたレーザーと、第１の偏光方向とは異なった第２の偏光方向に偏光されたレーザーを測定領域に向かわせるための方向付け手段と、測定領域において流体中の個々の浮遊粒子から放射された蛍光を取り込んで、その取り込まれた蛍光についての少なくとも１つの所定の波長の強度を、パルス持続時間中に少なくとも３回のサンプリング率で測定する第１の光学分光装置とを備え、前記方向付け手段は、レーザーから照射され第１の方向に偏光したパルスレーザー光が測定領域を横切るたびに、第２の偏光方向に偏光されたレーザー光のパルスを測定領域に向かわせ、かつレーザーから照射されたパルスが測定領域を横切る瞬間から、方向付け手段によって方向付けされたパルスが測定領域を横切る瞬間までの時間遅れが、パルス持続時間よりも長くかつ流体が測定領域を通過する時間よりも短いものである。
【０００８】
第２の偏光方向は、第１の偏光方向に対して例えば垂直である。
【０００９】
実施の形態において、流体の流れを生成するための手段は、層流の空気流を生成するためのノズルであって、このノズル越える流路を備えているものである。他の実施の形態において、流体の流れを生成するための手段は、透光性を有するチューブであって、このチューブに沿った流路によって液体の流れを生成するものである
【００１０】
方向付け手段は、例えば受動的な光学システムであって、レーザーから照射され測定領域を横切った後のレーザー光を集光し、かつその集光したレーザー光を再び測定領域に向かわせるように構成され、かつ、測定領域へ向けられたレーザー光が測定領域に到達する前にレーザーパルスの光の偏光方向を第１の偏光方向から第２の偏光方向へ回転させるように構成されている。
【００１１】
方向付け手段は、例えば受動的な光学要素であって、測定領域に関してレーザーとは反対側に配置されて、このレーザーによって照射されたレーザー光を、このレーザー光が測定領域を通過した後に反射する第１の鏡と、第１の鏡によって反射された光をさらに反射させて測定領域へ向かわせる第２の鏡と、レーザーパルスの光路に配置されてパルスのレーザー光の偏光方向を９０°回転させる波長板であって、その配置された位置が、測定領域と第１の鏡との間か、第１の鏡と第２の鏡との間か、第２の鏡と測定領域との間かのいずれかである前記波長板とを有する。
【００１２】
実施の形態において、第１の光学分光装置は、取り込んだ蛍光のうち、３つの異なる波長についての強度を、所定の唯一の偏光方向において、好ましくは前述の第１の偏光方向において、測定するものである。
【００１３】
第１の光学分光装置は、集められた蛍光を５００ＭＳＰＳ（Ｍｅｇａ ｓａｍｐｌｅｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）以上のサンプリング周波数でサンプルするものであり、例えば１ＧＳＰＳ（Ｇｉｇａ ｓａｍｐｌｅｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）以上のサンプリング周波数でサンプルするものである。
【００１４】
実施の形態において、測定装置は第２の光学分光装置をさらに備え、この第２の光学分光装置は、測定領域で流体中の個々の浮遊粒子から放射された蛍光を、所定の唯一の偏光方向にて、好ましくは前述の第１の偏光方向にて取り込み、この取り込んだ蛍光のスペクトルを広い周波数範囲にわたって決定する。
【００１５】
したがって、本発明の測定装置は、偏光方向が異なるとともに短時間の遅れだけ時間的に離された２つのレーザーパルスにより、それぞれの個々の粒子のために、分光的かつ時間分解的な蛍光反応を取得することができる。これは、流体と幾何学的な光路との組み合わせによって達成される。この点は、超高速の検出器と、取得用のエレクトロニクスとによって改善することもできる。
【００１６】
本発明の目的と他の利点とは、流体中の浮遊粒子の検出および／または特性評価のための測定方法によっても達成される。この測定方法は、流路に沿って流体の流れを生成させ、第１の偏光方向に偏光されたレーザー光のパルスであってパルス持続時間を備えたものを前記流路における測定領域に向けて照射し、測定領域における流体中の個々の浮遊粒子に、第１の偏光方向に偏光されかつ直線偏光器に通されたレーザー光のパルスが衝突したときに、測定領域において流体中の個々の浮遊粒子から放射された蛍光を取り込むとともに、取り込まれかつ直線偏光器に通された蛍光の強度を、少なくとも１つの所定の波長において、パルス持続時間中に少なくとも３回のサンプリング率で測定し、第１の偏光方向とは異なった第２の偏光方向に偏光されたレーザー光のパルスを測定領域に向けて方向付けして、第１の偏光方向に偏光したレーザー光のパルスが測定領域を横切る瞬間から、第２の偏光方向に偏光したレーザー光のパルスが測定領域を横切る瞬間までの時間遅れが、パルス持続時間よりも長くかつ流体が測定領域を通過する時間よりも短くなるようにし、測定領域における流体中の個々の浮遊粒子に第２の偏光方向に偏光されかつ直線偏光器に通されたレーザー光のパルスが衝突したときに個々の浮遊粒子から放射された蛍光を取り込むとともに、取り込まれかつ直線偏光器に通された蛍光の強度を、蛍光減衰の間に、少なくとも１つの所定の波長において、パルス持続時間中に少なくとも３回のサンプリング率で測定するものである。
【００１７】
第２の偏光方向は、第１の偏光方向に対して例えば垂直である。
【００１８】
放射された蛍光についての後述のさらなる特性分析のために、放射された蛍光を直線偏光器に通すことで、放射された蛍光が好ましくは第１の偏光方向である一方向の偏光になるようにする。
【００１９】
流体は、例えば、空気、他の気体、混合ガス、または液体である。
【００２０】
実施の形態において、第２の偏光方向に偏光されたレーザー光のパルスを測定領域に向けて方向付けするときに、測定領域を通過しかつ第１の偏光方向に偏光されたレーザー光のパルスを取り込んだうえで再び測定領域に向かわせるとともに、第１の偏光方向に偏光されたレーザー光のパルスの偏光を、このパルスが測定領域に再び到達する前に、第１の偏光方向から第２の偏光方向に向けて回転させる。
【００２１】
実施の形態において、第１の偏光方向とは異なった第２の偏光方向に偏光されたレーザー光のパルスを測定領域に向けて方向付けするときに、第１の偏光方向に偏光されたレーザー光のパルスを、測定領域を横切った後に、第１の鏡によって反射させ、この第１の鏡によって反射されたレーザー光のパルスを、第２の鏡によって反射させるとともに測定領域に向かわせ、レーザー光のパルスの光路に配置された波長板によって、測定領域と第１の鏡との間か、第１の鏡と第２の鏡との間か、第２の鏡と測定領域との間かのいずれかにおいて、パルスのレーザー光の偏光方向を９０°回転させる。
【００２２】
実施の形態において、第１の光学分光装置によって、所定の唯一の偏光方向において、好ましくは第１の偏光方向において、取り込んだ蛍光のうちの３つの異なる波長についての強度を測定する。
【００２３】
実施の形態において、第１の光学分光装置によって、集められた蛍光を５００ＭＳＰＳ（Ｍｅｇａ ｓａｍｐｌｅｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）以上のサンプリング周波数で、例えば１ＧＳＰＳ（Ｇｉｇａ ｓａｍｐｌｅｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）以上のサンプリング周波数で、サンプルする。
【００２４】
実施の形態において、測定領域における流体中の個々の浮遊粒子に第２の偏光方向に偏光されかつ直線偏光器に通されたレーザー光のパルスが衝突したときに個々の浮遊粒子から放射された蛍光を取り込むとともに、取り込まれかつ直線偏光器に通された蛍光の強度を、少なくとも１つの所定の波長においてパルス持続時間中に少なくとも３回のサンプリング率で測定するときに、取り込んだ蛍光のスペクトルを、所定の唯一の偏光方向において、好ましくは第１の偏光方向において、広い周波数範囲にわたって決定する。
【００２５】
好ましい実施の形態において、設計を簡単化するために、粒子からの蛍光を、光学分光装置に向けて送るために、光ファイバー、好ましくは単一の光ファイバー、へ結合させることが有用である。これにより、集光素子と光測定素子とにおいて光を良好に分離することができる。そのようにするために、すなわち個々の粒子から放射された蛍光を光ファイバーに集めるために、好ましくは透明なガラス製の素子であって、大径側で結合されたすべての光を全反射の作用により小径側に案内するように形作られた素子を付け足せばよい。さまざまな幾何学的な配置のうち、互いに異なった以下の３つの配置が好ましい。すなわち
−後部焦点距離が無限遠であり、光学レンズと共役関係である、反射対物レンズ
−後部焦点距離が無限遠であり、放物線反射鏡と共役関係である、反射対物レンズ
−後部焦点距離が無限遠であり、光学テーパと共役関係である、反射対物レンズ
が好ましい。
【００２６】
本発明の方法によると、時間分割かつスペクトル分割した手法によって、信頼性を有しかつ効率的な状態で蛍光応答を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】空気中の浮遊粒子の検出および／または特性評価のための本発明装置の実施の形態の概要を示した図である。
【図２】図１の装置を液体中の浮遊粒子の検出および／または特性評価に適したものとした装置の概要を示した図である。
【図３】空気中の浮遊粒子の検出および／または特性評価のための本発明装置の別の実施の形態の概要を示した図である。
【図４】図３の装置を液体中の浮遊粒子の検出および／または特性評価に適したものとした例の概要を示した図である。
【図５】空気中の浮遊粒子の検出および／または特性評価のための本発明装置のさらに別の実施の形態の概要を示した図である。
【図６】図５の装置を液体中の浮遊粒子の検出および／または特性評価に適したものとした例の概要を示した図である。
【図７ａ】軽量な物質の相互作用の基本的な物理的原理を概略的に示した図である。
【図７ｂ】軽量な物質の相互作用の基本的な物理的原理を概略的に示した図である。
【図８ａ】代表的な蛍光分子であって、その寿命が、蛍光分子とレーザーパルスとの２つの相互作用の間の時間よりも短いときの一般的な場合を概略的に示した図である。
【図８ｂ】代表的な蛍光分子であって、その寿命が、蛍光分子とレーザーパルスとの２つの相互作用の間の時間よりも長いときの一般的な場合を概略的に示した図である。
【図９ａ】代表的な蛍光分子であって、その寿命が、蛍光分子とレーザーパルスとの２つの相互作用の間の時間よりも短く、蛍光異方性が弱いときの、一般的な場合を表した図である。
【図９ｂ】代表的な蛍光分子であって、その寿命が、蛍光分子とレーザーパルスとの２つの相互作用の間の時間よりも短く、蛍光異方性が強いときの、一般的な場合を表した図である。
【図９ｃ】代表的な蛍光分子であって、その寿命が、蛍光分子とレーザーパルスとの２つの相互作用の間の時間よりも長く、蛍光異方性が弱いときの、一般的な場合を表した図である。
【図９ｄ】代表的な蛍光分子であって、その寿命が、蛍光分子とレーザーパルスとの２つの相互作用の間の時間よりも長く、蛍光異方性が強いときの、一般的な場合を表した図である。
【図１０ａ】スペクトルに分解された代表的なレーザー誘起蛍光を示した図である。
【図１０ｂ】いくつかの一般的な蛍光色素による光の吸収を示した図である。
【図１１ａ】個々の粒子から放射される蛍光を光ファイバーに集めるための装置構成を示す図である。
【図１１ｂ】個々の粒子から放射される蛍光を光ファイバーに集めるための、図１１ａと異なる装置構成を示す図である。
【図１１ｃ】個々の粒子から放射される蛍光を光ファイバーに集めるための、図１１ａおよび図１１ｂと異なる装置構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
実施の形態に関し、図１を参照すると、本発明の装置は、空気の流れまたは他の気体の流れに含まれる浮遊粒子の検出および／または浮遊粒子の特性評価のために構成されている。
【００２９】
図１を参照すると、本発明の装置はノズル１を備え、ノズル１は、ノズル１を越えた流路に沿って層流の空気流を生成する。その層流の空気流は、個々のエアロゾル粒子または個々の浮遊粒子９を潜在的に含む。その流路の向きは、例えば垂直である。この装置は、さらに光源を含んでいる。その光源は例えばレーザー２である。例えば２６３、２６６、３３７、３５５または４００ナノメートルのパルス状の紫外線レーザーである。レーザー２は、偏光したレーザー光のパルスを空気流に向けて照射するように配置される。レーザーの波長は、最も効率的な吸収と、最も効率的な量子収率と最も効率的な吸収断面積と最も効率的な蛍光放射とを可能にするように選択される。したがって、波長は深紫外から赤外に及ぶ可能性があり、上記の例としての波長の数字に限定されない。レーザー２から照射されたレーザー光のパルスが横切られた空気流の領域は、測定領域を定める。その測定領域では、空気中の浮遊粒子９が、レーザー光と相互作用する。レーザー２から照射されたレーザー光は、第１の偏光方向に偏光したものである。その偏光方向は、例えば垂直方向である。
【００３０】
図１に示す実施の形態によれば、本発明の装置は、光学システム３を含む。光学システム３は、受動素子を含む。受動素子は、レーザー光のパルスが測定領域を横切った後に、それらのパルスを、再び測定領域に向けて方向付けする。図１に図示された実施の形態では、光学システム３は、測定領域の反対側においてレーザー２に向き合って配置される第１の鏡３１と、第１の鏡３１で反射されたレーザー光のパルスを反射して測定領域に向けて方向付けする第２の鏡３２とを含む。したがって、レーザー２から照射されたレーザー光のパルスは、まず測定領域を横切り、第１の鏡３１によって反射され、そして第２の鏡３２によって反射されたうえで、第２の鏡３２によって再び測定領域に向けて方向付けされる。そのようにして、レーザー光のそれぞれのパルスは、測定領域を２回横切る。その横切りには、時間の遅れをともなう。その時間の遅れは、１回目の横切りと２回目の横切りとの間の時間である。その時間の遅れは、レーザー光のパルスが２回の横切りを行う間においてレーザー光のパルスが移動する光路の長さによって決定される。本発明によれば、光学システム３は、さらにレーザー光のパルスを回転させる手段を含む。例えばその回転させる手段は、１／２波長板３０である。１／２波長板３０は、レーザー光のパルスが測定領域を２回目に横切る前に、そのレーザー光の偏光を例えば９０°回転させる。本発明によれば、レーザー光の偏光が、このようにして、第１の偏光方向から、第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向に回転される。波長板３０は、レーザー光のパルスの光路上に配置される。例えばその配置される場所は、測定領域と第１の鏡３１との間、または第１の鏡３１と第２の鏡３２との間、または第２の鏡３２と測定領域との間である。
【００３１】
他の実施の形態では、光学システムは、導波管、または他の受動的な光学素子、または能動的な光学素子を備える。導波管や他の光学素子は、レーザー光のパルスを再び測定領域に向けて方向付けすること、および／またはレーザー光の移動経路に所定の時間遅れを導入すること、および／またはレーザー光の偏光を回転させることのために備えられる。
【００３２】
他の実施の形態では、光学システムは１つのレーザーを含み、そのレーザーの光路は、最初に測定領域を横切る前に、それぞれ長さの異なる２つ以上の光路に分割される。しかし、この実施の形態では、各レーザーパルスは、レーザーから出力されるパルスのエネルギーの一部だけしか含んでいない複数のサブパルスに分割される。このサブパルスがエネルギーの一部だけしか含んでいないことが、蛍光の応答について、効率的な励起のための制限因子になる可能性がある。この励起のための制限因子は、ＳＮ比の低下につながる。
【００３３】
あるいは、本発明の装置は、偏向方向の異なったレーザーパルスを同じ測定領域に向けて照射する２つのレーザーを備えることができる。しかし、このような解決手段は、第１のレーザーからのパルスレーザー光と第２のレーザーからのパルスレーザー光との間での正確でかつ厳密に再現可能な時間遅れを達成するために、両方のレーザーにかなり正確な同期を必要とする。しかし、この点は、現在の合理的な価格のレーザーではおそらく達成できない。
【００３４】
本発明によれば、この装置は、第１の光学分光装置４をさらに備える。第１の光学分光装置４は、レーザー光のパルスが測定領域における浮遊粒子９に衝突したときに放射された少なくとも１つの波長の蛍光についての時間分解した情報を提供する。第１の光学分光装置４は、例えば、直線偏光子４２と、ダイクロイックミラー４３と、光検出器４４とを含む。直線偏光子４２は、要求されていない偏光の蛍光を除去し、好ましくは第１の偏光方向に偏光した蛍光のみ、例えば垂直に変更した蛍光のみを通過させる。ダイクロイックミラー４３は、例えば３つのダイクロイックミラー４３であり、これら３つのダイクロイックミラー４３は、蛍光をスペクトル範囲で分離する。このスペクトル範囲は、例えば３つのスペクトル範囲である。光検出器４４は、例えば３つの光検出器４４であり、それぞれの光検出器４４は、ダイクロイックミラー４３のうちの１つから反射された１種類のスペクトル範囲の蛍光を取り込む。それぞれのスペクトル範囲は、関心のある決めた波長に中心を置くのが好ましい。その関心のある波長は、例えば、特定タイプの蛍光色素から放射された蛍光の波長、または粒子９を蛍光標識するマーカーから放射された蛍光の波長である。本明細書において、はっきりと分かりやすくするために、本発明の方法と装置とによって測定された粒子は、天然または人工的な生物学的粒子、あるいは天然または人工の非生物学的粒子である可能性があることを仮定し、これらの粒子は、吸収されたレーザー光に対して何らかの蛍光応答を有するものとする。
【００３５】
以下でさらに説明するように、第１の光学分光装置４の光検出器４４は、高速の検出器であり、この光検出器４４は、蛍光減衰の期間にいくつかの測定点で光強度を十分に高いサンプリング率で採取できる。その蛍光減衰の期間は、全ての場合において、浮遊粒子９が測定領域を横切る時間よりも短い。
【００３６】
図１で示した例では、第１の光学分光装置４は、受けた蛍光を３つのスペクトル範囲に分離する。けれども分離するスペクトル範囲の数は、検出されるおよび／または特性を評価される浮遊粒子９の性質によって変更することが可能であり、スペクトルの帯域幅とスペクトルの中心波長も同様に変更することが可能である。第１の光学分光装置４は、上記とは異なる粒子９を検出および／または評価するために、他の波長の蛍光を測定するための構成とすることが可能であるか、または、他の波長を中心波長としたスペクトル範囲を有する光学分光装置に置き換えることが可能であることが好ましい。光学分光装置４は、例えば、ダイクロイックミラー４３の数と種類とを変更することができるように構成される。
【００３７】
第１の光学分光装置４は、測定領域内の粒子９から放射された蛍光を集めて、その蛍光をダイクロイックミラー４３に向けるための第１の光学レンズセット４０を含むことが好ましい。
【００３８】
実施の形態では、第１の光学分光装置４はローパスフィルター４１を含んでいる。ローパスフィルター４１は、例えばレンズセット４０と直線偏光子４２との間に配置されて、測定領域内の粒子９によって放射された蛍光を通過させ、レーザー６の散乱光を遮るようにフィルタリングする。
【００３９】
本発明の装置は、好ましくは、さらに図示しない信号分析器を含む。この信号分析器は、第１の光学分光装置４からの出力信号を受け取るように構成され、そしてユーザーに情報を提供するようにその信号を利用する。提供される情報は、例えば、レーザー光のパルスが衝突した粒子９からの、異なる波長において時間分解した蛍光の情報や、粒子９の速度の表示などである。その蛍光の情報は、以下においてさらに説明する。実施の形態では、本発明の装置は、光検出器を含む。この光検出器は、例えばフォトダイオード６であって、レーザー２から照射されたレーザー光のパルスであって測定領域を２回目に横切った後のものを検出する。フォトダイオード６からの出力信号は、例えば上述の信号分析器に送られる。信号分析器は、レーザー光のパルス照射の存在、および／またはそのパルスの強度、および／またはパルスの持続時間を受取ることが可能である。実施の形態では、信号分析器は、レーザー２のための制御信号を生成する。制御信号は、特に、レーザー光の１つ以上のパルスについて、パルスの照射または非照射を制御する。
【００４０】
上述の本発明の装置は、例えばノズル１にて生成された空気流内に存在するエアロゾル粒子９の検出および／または特性の評価のためのものである。実施の形態では、図２で例として示されているように、本発明の装置は、流体中に存在する浮遊粒子を検出するおよび／またはその特性を評価するように構成されている。流体中とは、すなわち気体中または液体中であって、その流体は、レーザー光に対して透過性があることが好ましい。図２に例を示しているが、これに限定されないところの本発明の装置は、例えば水中の浮遊粒子を検出するおよび／またはその特性を評価するように構成されている。したがって、本発明の装置は、流体のためのガイドを有する。このガイドは、例えば直線状のチューブ１０であって、例えばその内部に沿って流体１１が流れ、この流体中に粒子９が潜在的に存在する。レーザー２から照射され偏光したレーザー光のパルスと流体１１の交差するところが、測定領域を定める。その測定領域では、個々の浮遊粒子９がレーザー光のパルスと相互作用する。図２の装置の他の要素とその機能は、上述し図１で示したところの、空気中の浮遊粒子の検出および／またはその評価を行うものと同一である。図１の装置との唯一の違いは、流路に沿った流体の流れを生成するための手段である。
以下において参照するさまざまな図において、他に特定をしない限り、同一の参照符号は同一の要素を示す。
【００４１】
別の選択肢として、図３を参照すると、本発明の装置は、レンズセット５０を含んだ光学分光装置５と、ローパスフィルター５１と、直線偏光子５２と、回折格子５３とを備える。レンズセット５０は、浮遊粒子９、例えば空気中の浮遊粒子９から放射された蛍光を集める。この浮遊粒子９は、測定領域でレーザー光のパルスに衝突される。ローパスフィルター５１は、測定領域で粒子９から放射される蛍光を通過させ、レーザー６の散乱光を遮り、フィルタリングする。直線偏光子５２は、１つの光の偏光だけを通過させる。直線偏光子５２が通過させるのは、第１の偏光方向の偏光だけであることが好ましく、その第１の偏光方向は、例えば鉛直方向である。回折格子５３は、集められた蛍光を広げて、スペクトルにし、そのスペクトルを、スペクトル全体にわたって広げられた蛍光を採取するためのアレイ状の光検出器５４に集光する。
【００４２】
図３に示された装置は、好ましくは、図示しない信号分析器をさらに備える。信号分析器は、光学分光装置５からの出力信号を受信し、その信号を、ユーザーに情報を提供するために用いる。提供する情報とは、例えばレーザー光のパルスが衝突した粒子９からの、スペクトルに分解された蛍光の情報である。実施の形態では、本発明の装置は、光検出器、例えばフォトダイオード６を備える。フォトダイオード６は、レーザー２から照射されたレーザー光のパルスが測定領域を２回横切った後に、これを検出する。フォトダイオード６の出力信号は、例えば、信号分析器に送信することができる。信号分析器は、レーザー光のパルスの照射および／または照射されたパルスの強度および／または照射されたパルスの持続時間を受け取ることができる。実施の形態では、信号分析器は、レーザー２について、特に、レーザー光の１つ以上のパルスについてパルスの照射または非照射を制御する。
【００４３】
図３の装置を、流体中すなわち気体中にまたは液体中に存在する浮遊粒子を検出するおよび／またはその特性を評価するように構成した例を、図４に示す。すなわちその装置は、図４の実施の形態におけるチューブ１０を、ノズル１の代わりに有している。
【００４４】
図５の実施の形態では、本発明の装置は、２つの光学分光装置４、５を備える。第１の光学分光装置４は、時間分解した情報を提供する。時間分解した情報は、測定領域で個々の粒子９がレーザー光のパルスに衝突されることで放射された蛍光に関する。第２の光学分光装置は、この蛍光に関してスペクトル分解された情報を提供する。第２の光学分光装置５は、例えば、第２のレンズセット５０と、ローパスフィルター５１と、直線偏光子５２と、回折格子５３と、光検出器と５４を備える。第２のレンズセット５０は、測定領域内の個々の粒子９から放射された蛍光を集める。ローパスフィルター５１は、測定領域内の粒子９から放射される蛍光を通過させ、レーザー６の散乱光を遮りフィルタリングする。直線偏光子５２は、例えば垂直方向である第１の偏光方向の１つの偏光のみを通過させる。回折格子５３は、集められた蛍光を広げて、スペクトルにする。光検出器、例えばアレイ状の光検出器５４は、スペクトル全体にわたって蛍光を採取する。
【００４５】
図６は、図５に示したものと同様の本発明の装置を示しているが、この装置は、流体中すなわち気体中または液体中に存在する浮遊粒子の検出および／またはその特性の評価に適している。その流体は、好ましくはレーザー光に対して透明である。本発明の装置は、図６に例として示されているが、本発明を限定するものではない装置は、例えば、水中の浮遊粒子を検出するおよび／またはその特性を評価するように構成されている。したがって、本発明の装置は、例えば直線状のチューブ１０であるところの、流体の導入管を含む。この導入管に沿って、例えばその内部に、流体１１が流れ、この流体に粒子９が潜在的に存在する。レーザー２から照射された偏光レーザー光のパルスと流体１１とが交差するところが、測定領域を定める。測定領域では、個々の浮遊粒子９が、レーザー光のパルスと相互作用する場合がある。本発明の装置の他の要素とその機能とは、空気中の浮遊粒子の検出および／またはその評価に関して、上記されまた図５に示されたものと同じである。図５との唯一の違いは、流路に沿った流体の流れを生成するための手段である。他に指定されない限り、同じ参照符号は、種々の図において同一の要素を指す。
【００４６】
以下の段落では、空気中の浮遊粒子の検出と分析についての特定の場合に関して、流体中の浮遊粒子の検出および／またはその特性の評価のための本発明装置の機能とそれに対応した方法とが記述され説明されている。しかし、その記述されている機能と方法は、任意の、流体中の浮遊粒子の検出にも適用される。
【００４７】
本発明によれば、検出方法および／または特性評価方法は、時間分解の技術によって測定されるレーザー誘起蛍光法に基づいている。場合によって、スペクトル分解技術にも基づいている。
【００４８】
本発明の方法は、レーザー光のパルスを照射することと、その後にレーザー光のパルスを方向付けすることとを含む。レーザー光のパルスを照射することは、流体の流れに存在する個々の浮遊粒子９が測定領域を横切る間に、レーザー２からのレーザー光のパルスをその浮遊粒子９に照射することである。レーザー光のパルスを方向付けすることとは、測定領域内に同一の浮遊粒子９が未だ存在している間に、レーザー光のパルスを別の方向に偏光させかつ一定の時間遅れを付与させることである。実施の形態では、レーザー２から照射されたレーザーパルスの光路は、例えば図１〜図６に示されている光学システム３によって、時間遅れが付与されるとともにレーザーの偏光が変えられた状態で、測定領域に向けて折り返される。１回目のレーザーパルスの通過すなわち横切りの間において、粒子９内部の分子双極子の向きは、任意でかつ揃った向きになっている。１回目のレーザーパルスの通過の間に、レーザーパルスは、測定領域内で、粒子９の分子とのみ相互作用する。粒子９の分子は、そのレーザーの電場によって整列している。そしてそのレーザーパルスは、その分子を励起する。これらの粒子９の分子の一部は、しばらくしてから、１つの光子を放射する。粒子９の分子が１つの光子を放射するのは、ほとんどの生物学的な粒子の場合において、通常、０．１〜３ナノ秒後である。これらの光子は、少なくとも１つの波長において蛍光減衰を測定するところの、時間分解する第１の光学分光装置４によって検出される。場合によっては、本発明の方法は、スペクトル分解し相対的に応答が遅い第２の光学分光装置５を用いることをさらに含む。第２の光学分光装置５は、浮遊粒子９から放射された蛍光に関して、その蛍光のスペクトル範囲の全体を決定する。
【００４９】
実施の形態では、レーザーパルスが、個々の浮遊粒子９に１回目の衝突をした後に、ある距離を移動したうえで、時間遅れの後に同一の浮遊粒子９を再び照らす。その時間遅れは、例えば６〜１０ナノ秒であり、その時間の遅れは、そのレーザーパルスが２回連続して測定領域を通過するすなわち横切る間に移動する距離によって規定される。２回の衝突すなわち横切りの間の時間の遅れは、好ましくは測定領域を通過する個々の粒子９の移動時間よりも短い。それによって、レーザーパルスは、２回目の通過の際に同じ粒子９と再び相互作用を行う。光学システム３において、レーザーパルスは、例えばレーザー光の電場すなわち偏光を９０°回転させる１／２波長板３０を横切る。２回目の横切りの間に、レーザーパルスの電場は、粒子９の分子双極子と再び相互作用する。レーザーパルスと粒子との１回目の相互作用の間、粒子に含まれる分子の分子双極子は、レーザー光の電場の向きに整列する。分子サイズと周囲環境とに依存して、この双極子の回転における位相揃いの状態は、数ピコ秒〜数十ナノ秒間にわたり維持される。励起した電子の状態についての緩和時間を伴って、この分子双極子の整列の維持効果は、２回目の横切りの間におけるレーザーパルスが粒子に吸収されることについて、異なる吸収効率をもたらす。実際、この吸収効率は、基底状態に既に戻っていて、別の電子励起のために準備されている利用可能なった分子の数と、２回目の横切りの間に、同じ方向に整列し、そして最初のレーザーの偏光に対して９０°回転されている、利用可能となった分子双極子の数とによって、同時に影響される。この２つのレーザーパルスと２つの蛍光減衰とによる組み合わせ測定に基づき、標準的な分光法や標準的な蛍光寿命の測定と比較して、分子組成に関するより多くの詳細な情報が提供される。なぜなら、本発明の方法と装置が、励起された電子の準位に関連した蛍光寿命の減衰と、粒子との２つの相互作用の間にレーザーの電場を９０°回転させることによる分子双極子の整列とに同時に敏感であるからである。この事実は、励起光源からの同じでない偏光に対して試料が敏感であるかどうかを明らかにする蛍光異方性を、直接測定し推定する可能性を提供する。蛍光異方性は、分子量と分子のサイズとから大きな影響を受ける分子運動を調べるための強力な道具である。また、そのことは、分子の回転拡散と分子内部の柔軟性との研究に接する機会を与える。このすべての事実は、空気中の個々の浮遊粒子の識別にさらなる自由度をもたらす。
【００５０】
したがって、本発明の方法は、粒子中の主要な蛍光スペクトルの特性の調査を可能にし、最終的に分子組成、分子のサイズ、周辺の事柄への、より良い理解のアクセスを可能にする。
【００５１】
本発明の方法の根底にある主な物理的原理は、古典的なＬ型の蛍光異方性の測定体系を思い起こさせるところの、図７ａと図７ｂとに記載されている。しかし、本発明の方法の根底にある主な物理的原理には、その古典的なＬ型の蛍光異方性の測定体系と比較して、以下の主に２つの違いがある。
【００５２】
ａ）直線偏光子は、検出器の光路に導入されて、粒子９から放射された蛍光について１つの所与の偏光のみを通過させる。
【００５３】
ｂ）粒子９とレーザーパルスとの相互作用が、２つのステップで起こされる。第１のステップは、第１の偏光方向に偏光したレーザー光により行われ、第２のステップは、第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向に偏光したレーザー光により行われる。２つの相互作用の間には遅れが存在し、この遅れは、蛍光寿命と同じ程度か、それよりも短い。図７ａは、例として、レーザー光の偏光が垂直であるところの、第１の相互作用を示す。検出された信号は、一般的に以下のように記述することができる。
【００５４】
【数１】
2019523887.tif 000003
【００５５】
ここで、ＩＶＶは、垂直方向に偏光したレーザー光によって励起された試料から放射された蛍光の垂直方向の偏光成分であり、Ｉ０１は、ｔ＝０での蛍光信号の大きさであり、τ１は減衰定数である。図７ｂは、レーザー光が例えば水平方向に偏光したときの第２の相互作用を示す。検出された信号は、一般的に以下のように記述することができる。
【００５６】
【数２】
2019523887.tif 000004
【００５７】
ここで、ＩＨＶは、水平方向に偏光したレーザー光によって励起された試料から放射された蛍光の垂直方向の偏光成分である。
【００５８】
本発明の方法によれば、レーザー光と試料との相互作用に関して、２つの考えられるシナリオが生じる可能性があり、その相互作用の２つのシナリオは、図８ａおよび図８ｂに示されている。図８ａに示される第１のシナリオによれば、試料中の蛍光分子は、例えば垂直方向に偏光したレーザー光と１回目に相互作用するときであるところの最初の段階において、ランダムな配向の遷移モーメントを持っている。蛍光体の総数は、ＮＴで示される。レーザー光の電場と同方向すなわち第１の偏光方向または第１の偏光方向と近い方向に整列された、遷移モーメントを持つ分子における、励起された電子の状態への遷移確率は、より高い。１回目の相互作用からしばらくすると、レーザー光で励起された分子Ｎ１は、光子を放射するか、または光子を放射しない方法にて、基底状態に戻る。その間に、レーザーの相互作用中にレーザー光の電場の方向に直行する方向すなわち第１の偏光方向または第１の偏光方向に近い方向に直交する方向に遷移モーメントが整列した分子Ｎ０は、自由に変化し続け、それらの分子の遷移モーメントの方向が再びランダムになる。このシナリオでは、励起用のレーザーパルスを用いた２回の相互作用の間の遅れが十分に長く、分子Ｎ１が基底状態に戻るのを可能にしている。そして、第２の方向の偏光を伴った励起のために、これら全ての手順が繰り返される。このシナリオでは、２つの蛍光の測定は、互いに独立している、すなわち相関性がない。
【００５９】
図８ｂに示された第２のシナリオは、緩和時間すなわち蛍光寿命よりも短い、偏光した励起光による、２つの相互作用の間の遅れを含んでいる。したがって、分子Ｎ１の大部分が依然として励起状態にあって第２のレーザーの光路と相互作用せず、励起光との相互作用の大部分は分子Ｎ０によって行われる。このシナリオでは、粒子が、２回目の相互作用のときに１回目の相互作用を「記憶」している。
【００６０】
図９ａ〜図９ｄを参照すると、レーザーから照射される励起レーザーパルス、例えばガウス分布型のレーザーパルスは、そのパルス持続時間の特性を表すところの、それらパルスのそれぞれの振幅（Θ１，Θ２）と標準偏差（σ１、σ２）とで表される。レーザーパルスに衝突された粒子から放射された蛍光信号は、励起レーザーパルスと指数関数的な減衰との畳み込みを表す。その指数関数的な減衰は、測定システムの応答と粒子の応答とを含んでいる。図９ａ〜図９ｄは、励起レーザーパルスに２回衝突された粒子から放射された、時間分解された蛍光信号の代表的な４つの場合を表している。図９ａは、励起パルスと低い蛍光異方性との両方による短い蛍光寿命を表している。図９ｂは、励起パルスと高い蛍光異方性との両方による短い蛍光寿命を表している。図９ｃは、励起パルスと低い蛍光異方性との両方による長い蛍光寿命を表している。図９ｄは、励起パルスと高い蛍光異方性との両方による長い蛍光寿命を表している。
【００６１】
蛍光信号の主な特性を評価するために、以下の式を蛍光異方性に使用することができる。
【００６２】
【数３】
2019523887.tif 000005
【００６３】
ここで、ｒ０はｔ＝０の時の蛍光異方性の値であり、θは、相関時間である。この蛍光異方性の定義が、図８ａに関連して説明したシナリオに適用される。次に蛍光異方性の最大値が、以下の式によって推定される。
【００６４】
【数４】
2019523887.tif 000006
【００６５】
図８ｂに示す第２のシナリオに対して、単純で直接的な式は、与えられない。なぜなら、２つの連続した相互作用の相関が、蛍光異方性の推定に大きく影響するからである。蛍光減衰の期間τ１、τ２を抽出するために、測定信号は、既知の励起パルスを用いて逆畳み込みをされる必要がある。装置のシステム応答は、減衰の期間よりもはるかに速いことが好ましい。システム応答が、減衰の期間と同じ程度であるときには、システムの応答を全て考慮に入れるために、逆畳み込みを、蛍光なしの光散乱と同様である参照信号を用いて行わなければならない。
【００６６】
これらの決定されたパラメーターに基づいて、試料の蛍光についての高度な特性評価を行うことができる。全蛍光は、波長の関数として以下のように表される。
【００６７】
【数５】
2019523887.tif 000007
【００６８】
試料の平均蛍光寿命は、波長の関数として以下に与えられる。
【００６９】
【数６】
2019523887.tif 000008
【００７０】
励起レーザーパルスの２つの偏光に対しての蛍光寿命の異方性は、波長の関数として以下に与えられる。
【００７１】
【数７】
2019523887.tif 000009
【００７２】
本発明の方法によれば、特性を評価される個々の浮遊粒子９は、短い時間遅れの範囲内で、異なる偏光を有する２つの連続したレーザーパルスと相互作用する。高速のサンプリングを行う第１の光学分光装置４を使用することで、相互作用ごとに粒子９の蛍光の時間分解した表示を得ることが可能になる。蛍光の強度と減衰によって、各相互作用において、そして各相互作用どうしの比較において、励起した各蛍光分子について、蛍光寿命と蛍光異方性とを決定することできる。上述のように、これらのパラメーターを決定することで、励起された浮遊粒子内に存在する蛍光分子の性質を決定することができる。すなわち、特に蛍光分子のサイズを決定することができ、それにより、浮遊粒子９を精密に特性評価することができる。
【００７３】
図１０ａは、第２の光学分光装置５によって提供されたところの、スペクトルで分解した結果の例を示している。この例は、レーザーパルスによる粒子との２つの相互作用の間に放射された蛍光の全体を広範なスペクトル範囲にわたって取り込んでいる。典型的な内在性の蛍光色素分子［フルオロフォア］（トリプトファン、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドＮＡＤＨ、フラビン）についての３つのスペクトルが図１０（ａ）に示されている。このスペクトルで分解した結果によって、蛍光放射が同じでないことに基づき、これらの分子が明確に区別される。用途に応じて、第１の光学分光装置４における関心のあるスペクトル範囲を調節することもできる。図８ｂは、これらの蛍光色素分子の代表的な吸収スペクトルを示す。この吸収スペクトルの情報は、レーザー６から照射される波長であるところの、励起波長をより良く選択するのに役立つ。
【００７４】
実施の形態では、本発明の装置は、連続的なレーザービームを流体の流れに向かって照射し、それによって測定領域の上流側に検出領域を形成するための、第２のレーザーをさらに含むことができる。浮遊粒子が上記の検出領域を横切るときに、検出領域で前記粒子によって散乱されたレーザー光を光検出器が取り込むことで、その浮遊粒子を検出する。場合によっては、その光検出器から提供される情報が、個々の粒子の性質を最初に推定することを可能にする。例えばそれらの粒子のサイズ、粒子の形状、および／または粒子の表面の質感によって、その粒子の性質を推定することが可能である。
【００７５】
図１１ａ〜図１１ｃは、本発明のさらに好ましい実施の形態を示している。この実施の形態の装置は、簡単な実施のために、蛍光を結合する手段６１、６２、６３を備えている。
【００７６】
特に、粒子９からの蛍光を、光学分光装置に向けて送るために、光ファイバー６４、好ましくは単一の光ファイバー、へ結合させることが有用である。これにより、集光素子と光測定素子とにおいて光を良好に分離することができる。そうするために、すなわち個々の粒子９から放射された蛍光を光ファイバー６４に集めるために、好ましくは透明なガラス製の素子であって、大径側で結合されたすべての光を全反射の作用により小径側に案内するように形作られた素子を付け足せばよい。さまざまな幾何学的な配置のうち、互いに異なった以下の３つの配置が好ましい。すなわち
−後部焦点距離が無限遠であり、光学レンズ６１と共役関係である、反射対物レンズ６０
−後部焦点距離が無限遠であり、放物線反射鏡６２と共役関係である、反射対物レンズ６０
−後部焦点距離が無限遠であり、光学テーパ６３と共役関係である、反射対物レンズ６０
が好ましい。
【００７７】
対象となる粒子が上記の検出領域を通過するときに検出されると、それに対応した信号が、例えば測定領域内にレーザーパルスの照射を開始するためのコントローラに送られる。それによって、対象となる粒子がより精密に特性評価される。それによって、測定領域内へのランダムなレーザーパルスに比べて、粒子が検出されるときへ狙いを定めたレーザーパルスの照射が可能になる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図９ｄ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【国際調査報告】
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